Polkuintegraali yleistyy helposti paloitain C 1 -poluille. Määritelmä Olkoot γ : [a, b] R m paloittain C 1 -polku välin [a, b] jaon

Samankaltaiset tiedostot
4.3.7 Epäoleellinen integraali

Oletetaan sitten, että γ(i) = η(j). Koska γ ja η ovat Jordan-polku, ne ovat jatkuvia injektiivisiä kuvauksia kompaktilta joukolta, ja määrittävät

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 1: Parametrisoidut käyrät ja kaarenpituus

peitteestä voidaan valita äärellinen osapeite). Äärellisen monen nollajoukon yhdiste on nollajoukko.

f(tx + (1 t)y) tf(x) + (1 t)f(y) jokaisella x, y A ja t [0, 1].

LUKU 10. Yhdensuuntaissiirto

LUKU 7. Perusmuodot Ensimmäinen perusmuoto. Funktiot E, F ja G ovat tilkun ϕ ensimmäisen perusmuodon kertoimet ja neliömuoto

3.4 Käänteiskuvauslause ja implisiittifunktiolause

LUKU 4. Pinnat. (u 1, u 2 ) ja E ϕ 2 (u 1, u 2 ) := ϕ u 2

Selvästi. F (a) F (y) < r x d aina, kun a y < δ. Kolmioepäyhtälön nojalla x F (y) x F (a) + F (a) F (y) < d + r x d = r x

Kompleksianalyysi, viikko 4

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 9: Greenin lause

5.6 Yhdistetty kuvaus

Seurauksia. Seuraus. Seuraus. Jos asteen n polynomilla P on n erisuurta nollakohtaa x 1, x 2,..., x n, niin P on muotoa

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 7: Pintaintegraali ja vuointegraali

Tasokäyrän kaarevuus LUKU 1

Cantorin joukko LUKU 8

Cantorin joukon suoristuvuus tasossa

Oletetaan ensin, että tangenttitaso on olemassa. Nyt pinnalla S on koordinaattiesitys ψ, jolle pätee että kaikilla x V U

1 Määrittelyjä ja aputuloksia

4.3 Moniulotteinen Riemannin integraali

1 Supremum ja infimum

Käyrän kaarevuus ja kierevyys

Määrätty integraali. Markus Helén. Mäntän lukio

Esimerkki 1.1. Kahdeksikkopolku α: u (sin u, sin 2u) on helppo todeta injektioksi

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 1: Parametrisoidut käyrät ja kaarenpituus

Viivaintegraali ja Greenin lause

3.3 Funktion raja-arvo

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

Vastaa kaikkiin kysymyksiin (kokeessa ei saa käyttää laskinta)

Differentiaalimuodot

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 1: Moniulotteiset integraalit

Kuvaus. Määritelmä. LM2, Kesä /160

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

Karteesinen tulo. Olkoot A = {1, 2, 3, 5} ja B = {a, b, c}. Näiden karteesista tuloa A B voidaan havainnollistaa kuvalla 1 / 21

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 5: Kaarenpituus ja skalaarikentän viivaintegraali

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Fr ( ) Fxyz (,, ), täytyy integroida:

Surjektion käsitteen avulla kuvauksia voidaan luokitella sen mukaan, kuvautuuko kaikille maalin alkioille jokin alkio vai ei.

Toispuoleiset raja-arvot

Määritelmä Olkoon C R m yksinkertainen kaari ja γ : [a, b] R m sen yksinkertainen parametriesitys, joka on paloittain C 1 -polku.

Konvergenssilauseita

= ( F dx F dy F dz).

3.1 Väliarvolause. Funktion kasvaminen ja väheneminen

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

Sinin jatkuvuus. Lemma. Seuraus. Seuraus. Kaikilla x, y R, sin x sin y x y. Sini on jatkuva funktio.

Derivaatta: funktion approksimaatio lineaarikuvauksella.

JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO. Integraalilaskenta 2 Harjoitus Olkoon A := {(x, y) R 2 0 x π, sin x y 2 sin x}. Laske käyräintegraali

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 4: Taso- ja avaruuskäyrät

Täydellisyysaksiooman kertaus

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitusviikko 5 /

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 1: Moniulotteiset integraalit

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 9: Muuttujanvaihto taso- ja avaruusintegraaleissa

= 5! 2 2!3! = = 10. Edelleen tästä joukosta voidaan valita kolme särmää yhteensä = 10! 3 3!7! = = 120

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Ratkaisut viikko 3

1 Sisätulo- ja normiavaruudet

Tenttiin valmentavia harjoituksia

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

1 sup- ja inf-esimerkkejä

1 sup- ja inf-esimerkkejä

x (t) = 2t ja y (t) = 3t 2 x (t) + + y (t) Lasketaan pari käyrän arvoa ja hahmotellaan kuvaaja: A 2 A 1

Harjoitus Etsi seuraavien autonomisten yhtälöiden kriittiset pisteet ja tutki niiden stabiliteettia:

Kompleksianalyysi, viikko 6

saadaan kvanttorien järjestystä vaihtamalla ehto Tarkoittaako tämä ehto mitään järkevää ja jos, niin mitä?

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI I Harjoitustehtäviä syksy Millä reaaliluvun x arvoilla. 3 4 x 2,

13. Taylorin polynomi; funktioiden approksimoinnista. Muodosta viidennen asteen Taylorin polynomi kehityskeskuksena origo funktiolle

Reaalifunktioista 1 / 17. Reaalifunktioista

Funktiot. funktioita f : A R. Yleensä funktion määrittelyjoukko M f = A on jokin väli, muttei aina.

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

l 1 2l + 1, c) 100 l=0

e int) dt = 1 ( 2π 1 ) (0 ein0 ein2π

Pinnan tangenttivektorit

Pyramidi 10 Integraalilaskenta harjoituskokeiden ratkaisut sivu 298 Päivitetty

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Luentoesimerkki: Riemannin integraali

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

Bijektio. Voidaan päätellä, että kuvaus on bijektio, jos ja vain jos maalin jokaiselle alkiolle kuvautuu tasan yksi lähdön alkio.

saadaan kvanttorien järjestystä vaihtamalla ehto Tarkoittaako tämä ehto mitään järkevää ja jos, niin mitä?

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Derivaattaluvut ja Dini derivaatat

2 Raja-arvo ja jatkuvuus

Pistetulo eli skalaaritulo

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

3 Skalaari ja vektori

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 4: Derivaatta

Matematiikan taito 9, RATKAISUT. , jolloin. . Vast. ]0,2] arvot.

Kantavektorien kuvavektorit määräävät lineaarikuvauksen

MS-A0202 Di erentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 8: Taso- ja avaruusintegraalit

8. Avoimen kuvauksen lause

Kuvauksista ja relaatioista. Jonna Makkonen Ilari Vallivaara

LUKU 6. Weingartenin kuvaus

edition). Luennot seuraavat tätä kirjaa, mutta eivät orjallisesti.

802320A LINEAARIALGEBRA OSA II

Ratkaisut vuosien tehtäviin

Transkriptio:

Polkuintegraali yleistyy helposti paloitain C 1 -poluille. Määritelmä 4.1.3. Olkoot : [a, b] R m paloittain C 1 -polku välin [a, b] jaon P = {a = t 1 < < t k = b} ja joukko D R m sellainen, että ([a, b]) D. Kun f : D R on integroituva pitkin polkuja [tj 1,t j ] kaikilla j = 1,..., k, niin funktion f polkuintegraali pitkin polkua on fds = fds + + fds. [t0,t 1 ] [tk 1,t k ] Huomautus 4.1.2. Kun Määritelmässä 4.1.3 funktio f on jatkuva, niin t1 tk fs = f((t)) (t) dt + + f((t)) (t) dt t 0 t k 1 = b a f((t)) (t) dt, missä Riemann-integraali lasketaan vastaavasti paloittain.

Esimerkki 4.1.3. Olkoon kaikilla t [ 1, 1] ja olkoon (t) = ( t, t) f(x 1, x 2 ) = x 1 x 2 2 kaikilla x 1, x 2 R. Silloin ei ole C 1 -polku, mutta on paloittain C 1 -polku ja 0 fds = f( t, t) d( t, t) 1 dt dt + f( t, t) d( t, t) dt dt = = = 1 0 1 1 t t 2 ( 1, 1) dt + 0/ 1 4 t4 2 + 2 2. 0 1/ 1 4 t4 2 1 0 0 t t 2 (1, 1) dt

Lause 4.1.3. Olkoon : [a, b] R m ja : [c, d] R m injektiivisiä paloitttain C 1 -polkuja, joiden kuvajoukoille pätee ([a, b]) = ([c, d]). Jos f : D R m R on sellainen jatkuva funktio, että ([a, b]) D, niin fds = fds Huomautus 4.1.3. Vastaava tulos on näytetty aiemmin, kun f 1 ja sekä ovat sileitä (Määr. 3.2,4) ja injektiivisiä polkuja (eli ([a, b]) on yksinkertainen sileä kaari (Määr. 3.2.8) ). Yllä oleva tulos pätee löysemmillä oletuksilla. Korjataan Määritelmää 3.2.7 seuraavalla tavalla, joka poistaa eräitä muuttujanvaihdossa esiintyviä ongelmia: Määritelmä 3.2.7. Olkoon C R m käyrä ja olkoot : [a, b] R m ja : [c, d] R m käyrän C parametriesityksiä. Parametriesitykset j ovar ekvivalentteja, jos löytyy sellainen surjektio φ : [a, b] [c, d], että φ on C 1 -funktio, (t) = φ(t) kaikilla t [a, b] ja joko φ (t) > 0 kaikilla t [a, b] tai φ (t) < 0 kaikilla t [a, b].

Polkuintegraalit yhtyvät myös ekvivalenteille C 1 -poluille (joiden ei tarvitse olla injektiivisiä, Määr. 3.2.7). Tämä vahvistaa Lausetta 3.2.3, jossa vastaava tulos näytettiin funktiolle f 1. Huom! myös Lauseessa 3.2.3. kuvauksen φ tulee olla C 1! Lause 4.1.4. Olkoon C R m käyrä, jolla on ekvivelentit parametriesitykset : [a, b] C ja : [c, d] C. Jos f : D R m R on sellainen funktio, että C D, niin fds = fds Todistus. Olkoot ja lauseen oletusten mukaiset. Ekvivalenttisuuden määritelmän nojalla löytyy sellainen ja aidosti monotoninen surjektio φ : [a, b] [c, d], että = φ. Tehdään polkuintegraalissa fds = d c f( (t)) (t) dt muuttujanvaihto t = φ(s), jolloin saadaan φ 1 (d) fds = f( (φ(s))) (φ(s)) φ (s)ds, φ 1 (c) missä (i) φ > 0 (aidosti kasvava) tai (ii) φ < 0 (aidosti vähenevä). Käsitellään ensin tapaus (i): fds = φ 1 (d)=b φ 1 (c)=a f( φ(s)) (φ(s))φ (s) ds = φ = }{{} ( φ) fds.

Vastaavasti (ii) fds = φ 1 (d)=a φ 1 (c)=b f( φ(s)) (φ(s)) φ (s) ( 1) ds = }{{} φ (s) fds. Seuraava määritelmä laajentaa kaaren käsitteen joukoille, joiden parametriesitykset eivät ole sileitä. Määritelmä 4.1.5. Olkoon C R m. Joukko C on yksinkertainen kaaari, jos löytyy sellainen jatkuva bijektio : [a, b] C, että on paloittain C 1 -polku. Kuvausta sanotaan kaaren C yksinkertaiseksi parametriesitykseksi. Määritelmä 4.1.6. Olkoon C R m yksinkertainen kaari, jonka yksinkertainen parametriesitys on : [a, b] C. Funktion f (kaari-)integraali yli kaaren C on b fds = f((t)) (t) dt. (4.1.1) C a Kun f 1, integraalin (4.1.1) arvoa sanotaan kaaren C pituudeksi, jota merkitään l(c). Huomautus 4.1.4. Lauseesta 4.1.3 seuraa, että kaari-integraalin arvo ei riipu yksinkertaisen parametriesityksen valinnasta.

Esimerkki 4.1.4. a) Olkoon C = {(x 1, x 2 ) R 2 : x 2 = x 1, x 1 [ 1, 1]}. Silloin C on yksinkertainen kaari, jonka yksinkertainen parametriesitys on (t) = (t, t ), kaikilla t [ 1, 1]. Funktion f(x 1, x 2 ) = x 2 1x 2 integraali yli kaaren C on 0 fds = t 2 t d(t, t ) 1 dt dt + t 2 t d(t, t ) dt dt = 1. 2 C 1 b) Olkoon C R 2 joukko, joka koostuu sellaisen origokeskisen neliön kolmesta sivusta, että neliön sivut, joiden pituus on 2, ovat koordinaattiakselien suuntaiset ja sivu, jolla x 2 = 1, ei sisälly joukkoon C. Laske funktion f(x 1, x 2 ) = x 1 + 3x 2 2 kaari-integraali yli kaaren C. Joukko C on yksinkertainen kaari, sillä (1, t 2), 1 t 3 (t) = (4 t, 1), 3 t 5 ( 1, 6 t), 5 t 7 on joukon C injektiivinen parametriesitys, joka on paloittain C 1 - polku. Tällöin 3 5 7 fds = 1 + 3(t 2) 2 dt + 4 t + 3 dt + 1 + 3(6 t) 2 dt C } 1 {{}} 3 {{}} 5 {{} =4 =6 0 =0

4.1.1 Vektorikentän polkuintegraali Määritelmä 4.1.7. Olkoon f = (f 1,..., f m ) : D R m R m jatkuva vektorikenttä ja olkoon = ( 1,..., m ) : [a, b] R m sellainen (paloittain) C 1 -polku, että ([a, b]) D. Vektorikentän f (polku)integraali pitkin polkua on b b f d = f((t)) (t)dt = f 1 ((t)) 1(t) + + f m ((t)) m(t)dt Esimerkki 4.1.5. Olkoon a a f(x 1, x 2 ) = 1 4 ( x 2, x 1 ) kaikilla x 1, x 2 R ja olkoon (t) = (t, t 2 ) kaikilla t [ 1, 1]. Silloin on C 1 -polku ja (t) = (1, 2t) t [ 1, 1]. Funktion f polkuintegraali pitkin polkua on 1 f d = f((t)) (t)dt = = = 1 4 1 1 1 1 1 1 f(t, t 2 ) (1, 2t)dt 1 4 ( t2, t) (1, 2t)dt 1 t 2 + 2t 2 dt = 1 6.

Kuva 4.1: Vektorikentän f(x 1, x 2 ) = 1 4 ( x 2, x 1 ) arvot polulla (t) = (t, t 2 ).

Fysikaalinen tulkinta Luvun alussa todettiin, että reaaliarvoisen funktion polkuintegraali on funktion kuvaajan ja polun väliin jäävän alueen pinta-ala. Mikä on vektorikentän polkuintegraalin tulkinta? Fysiikassa vektorikentän f polkuintegraali pitkin polkua kuvaa voimakentän f tekemää työtä, kun voimakentässä f oleva hiukkanen siirtyy pisteestä (a) pisteeseen (b) pitkin polkua. Kuva 4.2: Vakiokentän f = (0, c) työtä tekevä komponentti riippuu hiukkasen liikkeen suunnasta. Kuvassa hiukkanen liikkuu matkan l pitkin eri suoria. Tapaus (a): kenttä ei tee työtä, Tapaus (c) Kentän tekemä työ on lc. Tapaus (b) kentän tekemä työ on l c cos(θ).

Esimerkiksi kun hiukkanen liikkuu vakiovoimakentässä f yksikkövektorin u suuntaan matkan l, niin vektorikentän tekemä työ on W = missä θ on vektorien f ja u välinen kulma eli }{{} l f cos(θ) }{{} matka työtä tekevä komponentti cos(θ) = f u f u. Tarkastellaan tapausta, jossa f ei ole vakiokenttä ja hiukkanen liikkuu pitkin polkua. Käytetään välin [a, b] jakoa P = {a = t 0 < < t k = b}. Väliarvolauseen (Lemma 3.4.1) nojalla löytyy sellainen piste p j [ j 1, t j ], että (t j ) (t j 1 ) = (p j )(t j t j 1 ). Arvioidaan hiukkasen rataa paloittain lineaarisella polulla kaikilla t [t j 1, t j ], missä j = 1,..., k. (t) (p j )(t t j ) + (t j 1 )

Hetkellä p j [t j 1, t j ] hiukkanen on pisteessä (p j ), jolloin siihen vaikuttaa voima f((p j )). Kun väli [t j 1, t j ] on hyvin lyhyt, niin voima f((t)) f((p j )) kaikilla t [t j 1, t j ]. Kun hiukkanen kulkee lineaarisesti pisteestä (t j 1 ) pisteeseen (t j ), sen kulkema matka on tj t j 1 (p j ) dt = (p j ) (t j t j 1 ). Vakiokentän f((p j )) tekemä työ, kun hiukkanen siirtyy pisteestä (t j 1 ) pisteeseen (t j ) lineeaarisesti, on W j = (p j ) (t j t j 1 ) f((p j )) cos(θ j ) missä cos(θ j ) = f((p j)) (p j ) f((p j )) (p j ) Kentän f tekemää kokonaistyötä voidaan approksimoida Riemannin summalla k W f((p j )) cos(θ j ) (p j ) (t j t j 1 ) (4.1.2) = j=1 k f((p j )) (p j )(t j t j 1 ). j=1 (4.1.2)

Vektorikentän polkuintegraalin ominaisuuksia Lause 4.1.5. Olkoon f, g : D R m R m kaksi jatkuvaa funktiota ja olkoon : [a, b] R m sellainen (paloittain) C 1 -polku, että ([a, b]) D. Silloin (f + g) d = f d + g d ja cf d = c f d jokaisella c R. Todistus. Seuraa Riemannin integraalin vastaavista ominaisuuksista.

Lause 4.1.6. Olkoon f : D R m R m jatkuva. Olkoon : [a, b] R m ja : [c, d] R m kaksi sellaista C 1 -polkua, että ([a, b]) D ja löytyy sellainen C 1 -funktio φ : [a, b] [c, d], että = φ. Silloin 1. Jos φ(a) = c ja φ(b) = d, niin f d = f d. 2. Jos φ(a) = d ja φ(b) = c, niin f d = f d. Todistus. Tarkastellaan kohta (1): Olkoon = φ. Tällöin b b F d = f((t)) (t)dt = f( φ) (φ(t))φ (t)dt. Muutujanvaihdolla s = φ(t) saadaan F d = Kohdan (2) todistus etenee vastaavasti. a d c a f( (s)) (s)ds.

Vektorikentän kaari-integraali Aiemmin nähtiin, että kaaren sileys ei ole välttämätöntä hyvin määritellylle integraalille. Tässä luvussa rajoitutaan kuitenkin esityksen yksinkertaistamiseksi sileisiin yksinkertaisiin kaariin. Palautetaan aluksi mieleen, että yksinkertaisen sileän kaaren kaikki sileät parametriesitykset ovat yksinkertaisia ja ekvivalentteja keskenään (Lause 3.2.4, jonka todistuksessa on helppo nähdä että differentioituva φ on myös C 1 -funktio). Määritelmä 4.1.8. Olkoon C R m yksinkertainen sileä kaari ja olkoon C 1 -polut : [a, b] R m ja : [c, d] R m kaaren C sileitä parametriesityksiä. Parametriesitykset ja ovat aidosti ekvivalentteja, jos sellaisella C 1 -surjektiolla φ : [a, b] [c, d], että = φ pätee φ > 0. Esimerkki 4.1.6. Olkoon Silloin parametriesitykset ja C = {(x 1, x 2 ) R 2 : x 2 = x 1, x 1 [0, 1]}. (t) = (t, t), t [0.1] (t) = (1 2t, 1 2t), t [0, 1/2] ovat ekvivalentteja mutta eivät aidosti ekvivalentteja, sillä φ(t) = 1 t 2 kuvaa välin [0, 1] välille [0, 1/2] ja (t) = (φ(t))., mutta φ (t) = 1/2 kaikilla t [0, 1].

Aidon ekvivalenttisuuden tutkimiseen on helpompikin tapa kuin funktion φ konstruointi: Lemma 4.1.1. Olkoon C R m yksinkertainen sileä kaari ja olkoon C 1 -polut : [a, b] R m ja : [c, d] R m kaaren C sileitä parametriesityksiä. Parametriesitykset ja ovat aidosti ekvivalentteja, jos (a) = (c) (eli polkujen alkupisteet yhtyvät). Todistus. Yksinkertaisen sileän kaaren sileät parametriesitykset ovat ekvivalentteja (Lause 3.2.4), jolloin sellainen C 1 -bijektio φ : [a, b] [c, d], että = φ, on olemassa. Jos φ > 0, niin φ(a) = c, jolloin (a) = (c). Jos φ < 0, niin φ(a) = d, jolloin (a) = (d). Lause 4.1.7. Olkoon f : D R m R jatkuva ja C R m sileä yksinkertainen kaari. Jos kaaren C sileät parametriesitykset : [a, b] R m ja : [c, d] R m ovat aidosti ekvivalentteja, niin f d = f d. Todistus. Väite seuraa lauseesta 4.1.6. Huomautus 4.1.5. Lauseen 4.1.6 nojalla kaaren parametriesityksen polkuintegraalin merkki vaihtuu erilaisilla poluilla. Tämän perusteella on luonnollista jakaa kaaren parametriesitykset kahteen luokkaan.

Määritelmä 4.1.9. Olkoon C yksinkertainen sileä kaari ja : [a, b] C sen sileä (yksinkertainen) parametriesitys. Yksinkertainen kaari C on suunnistettu päätepisteestä (a) päätepisteeseen (b), jos sen sileiksi parametriesityksiksi sallitaan vain sellaisia polkuja, joiden alkupiste on (a) ja loppupiste on (b). Suunnistettua kaarta merkintään C +. Lisäksi merkitään C sellaista suunnistettua kaarta, joka on suunnistettu päätepisteestä (b) päätepisteeseen (a) ja sanotaan, että C on suunnistettu vastakkaiseen suuntaan kuin C +. Huomautus 4.1.6. Yksinkertaisella sileällä kaarella on ainoastaan kaksi suunnistusta. Määritelmä 4.1.10. Olkoon C + R m suunnistettu sileä yksinkertainen kaari ja f : D R m R m sellainen jatkuva funktio, että C D. Funktion f (kaari-)integraali yli suunnistetun kaaren C + on b f ds = f((t)) (t)dt, C + a missä on suunnistetun kaaren C + jokin sileä parametriesitys.

Esimerkki 4.1.7. Olkoon f(x 1, x 2 ) = (x 1 x 2, x 1 ) kaikilla x 1, x 2 R ja C = {(x 1, x 2 ) R 2 : x 2 = x 2 1, x 1 [ 1, 0]} Tällöin (t) = (t, t 2 ), t [ 1, 0] on käyrän C injektiivinen parametriesitys ja (t) = (1, 2t) 0. Täten C on sileä yksinkertainen kaari. Suunnistetaan kaari C pisteestä ( 1) = ( 1, 1) pisteesen (0) = (0, 0) ja merkitään suunnistettua kaarta C +. Kaari-integraali 0 0 fds = f(t, t 2 ) (1, 2t)dt = (t 3, t) (1, 2t)dt = 11 C + 1 1 12. Kuva 4.3: Yksinkertainen suunnistettu kaari C + (punainen käyrä). Kaaren C suunnistus merkitty nuolella.

Vektorifunktion kaari-integraalilla ja skalaarifunktion kaari-integraalilla on seuraava yhteys: Lause 4.1.8. Olkoon C + R m yksinkertainen sileä suunnistettu kaari. Olkoon f : D R m R m sellainen jatkuva vektorikenttä, että C D. Silloin 1 f ds = f C + C 1ds (4.1.3) aina, kun on kaaren C + jokin sileä (yksinkertainen) parametriesitys. Todistus. Määritelmän mukaan sileä parametriesitys : [a, b] C toteuttaa ehdon (t) 0 kaikilla t [a, b]. Lisäksi Lauseen 3.2.4 nojalla on injektiivinen, joten sen käänteiskuvaus 1 : C [a, b] on myös jatkuva. Erityisesti 1 : C R m on hyvin määritelty jatkuva kuvaus. Täten yhtälön (4.1.3) oikea puoli on jatkuvan reaalifunktion kaari-integraali. Jatkuvan funktion kaari-integraalin arvo on sama injektiivisille parametriesityksille (Lause 4.1.3). Täten kaari-integraali voidaan laskea käyttäen esimerkiksi sileää parametriesitystä, jolloin suoraan nähdään että C f 1 1ds = eli yhtälö (4.1.3) pätee. b a f((t)) 1 ((t) 1 ((t) (t) dt = b a f((t)) (t)dt

Määritelmä 4.1.11. Yhtälössä (4.1.3) esiintyvää vektoria τ x := (t) (t), missä (t) = x eli t = 1 (x),nimitetään suunnistetun kaaren C + yksikkötangenttivektoriksi pisteessä x C. Esimerkki 4.1.8. Suunistetun kaaren C +, missä C = ([0, 2π]) ja (t) = (t sin(t), t cos(t)) kaikilla t [0, 2π], yksikkötangenttivektori pisteessä x, kun x = (t 0 ), t 0 [0, 2π], on τ x = (sin(t 0 ) + t 0 cos(t 0 ), cos(t 0 ) t 0 sin(t 0 )) (sin(t0 ) + t 0 cos(t 0 )) 2 + (cos(t 0 ) t 0 sin(t 0 )) 2.

Kuva 4.4: Vasemmalla yksinkertaisen sileän suunnistetun kaaren C + yksikkötangenttivektoreita käyrän pisteisiin piirrettynä. Oikealla yksinkertaisen sileän suunnistetun kaaren C yksikkötangenttivektoreita käyrän pisteisiin piirrettynä.